PLC自動化控制系統(tǒng)在長距離頂管施工中的運用分析

陳義軍

【摘要】長距離頂管屬于非開挖性施工方式，能夠有效減少對土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的擾動，適應城市復雜環(huán)境條件下的施工要求，因此得到了越來越廣泛的應用。但是在長距離頂管施工中需要使用多種機械設備，且對控制精度以及數(shù)據(jù)通訊均有很高的要求，傳統(tǒng)的施工控制方式已經(jīng)難以滿足長距離頂管施工的實際需要，因此應積極應用先進的自動化PLC控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)合理配置系統(tǒng)硬件設備以及應用軟件提高長距離頂管施工的控制精度，確保長距離頂管施工能夠優(yōu)質(zhì)高效的完成。

【關(guān)鍵詞】PLC系統(tǒng);自動化控制;長距離頂管;施工運用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.08.034

引言：

傳統(tǒng)頂管施工主要采用的是繼電器控制方式，且需要連接多芯電纜，并以人工方式湖區(qū)表盤讀數(shù)，不僅施工技術(shù)難度較高，而且在控制精度和可靠性方面也存在明顯的不足之處，難以適應現(xiàn)代長距離頂管施工的實際需要。而且由于長距離頂管施工是一項較為復雜的系統(tǒng)性工程，涉及大量的人員設備，對設備的聯(lián)動性以及數(shù)據(jù)通訊的即時性等都有很高的要求，因此在長距離頂管施工實踐中應積極應用具有較高自動化以及信息化水平的PLC控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)實時采集各傳感器數(shù)據(jù)信息，對長距離頂管設備中繼環(huán)、工具頭以及相關(guān)配套設備的控制，并自動發(fā)出故障報警信息，從而為長距離頂管施工的順利實施提供重要支撐。

1、長距離頂管施工中PLC自動化控制系統(tǒng)概述

1.1 長距離頂管施工概述

在地下管道的施工中，非開挖性的頂管施工技術(shù)由于具有較好的施工安全性以及技術(shù)適應性，且對地面交通所造成的影響相對較小，在施工過程中產(chǎn)生的振動、粉塵以及噪聲污染也比較少，因此在城市各類地下管網(wǎng)工程中得到了廣泛應用。近年來地下管網(wǎng)工程規(guī)模不斷擴大，長距離頂管施工對施工控制精度以及施工效率都提出了新的要求，施工單位應積極加強PLC自動化控制系統(tǒng)等先進技術(shù)的運用，全面提高長距離頂管施工的技術(shù)水平。

1.2 PLC自動化控制系統(tǒng)概述

所謂PLC自動化控制系統(tǒng)也就是可編程式邏輯控制裝置，其主要通過可編程存儲器實現(xiàn)存儲內(nèi)部程序以及邏輯計算分析，并可以根據(jù)用戶預設指令進行運算、定時以及計數(shù)等操作。PLC自動化控制系統(tǒng)是通過輸入或輸出模擬量以及數(shù)字化信息實現(xiàn)對機械設備動作狀態(tài)以及生產(chǎn)過程的精確控制。隨著PLC自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展，它在工業(yè)控制領域得到了越來越廣泛的應用。運用PLC自動化控制系統(tǒng)控制長距離頂管施工能夠有效提高施工的質(zhì)量和效率，更好的保證施工安全。

2、PLC自動化控制系統(tǒng)在長距離頂管施工中的運用分析

2.1 長距離頂管施工中PLC自動化控制系統(tǒng)基本功能

在長距離頂管施工中應積極應用具有較高可靠性的OLC自動化控制技術(shù)，以提高對頂管施工的管理以及控制水平。PLC自動化控制系統(tǒng)采用的是分布式I/O以及現(xiàn)場總線技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時采集和傳輸，不僅信息化、自動化程度較高，而且功能豐富、便于維護，為長距離頂管施工控制提供了重要的技術(shù)支撐。

在長距離頂管施工中運用PLC自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工具頭控制、中繼環(huán)控制、配套設備控制以及相關(guān)的數(shù)據(jù)通信等多項功能，各項功能則需要依靠PLC自動化控制系統(tǒng)的上位機、下位機、主站、從站、中繼器等部分實現(xiàn)。其中，PLC自動化控制系統(tǒng)的下位機功能主要是控制工具頭。下位機具有一定的獨立性，能夠?qū)Φ侗P動作、液壓升降、姿態(tài)糾偏、進泥、排泥以及其他輔助設備進行精確控制。同時，下位機還可以對各種傳感器所獲取的掘進設備的土壓油壓、設備姿態(tài)以及轉(zhuǎn)速等各項模擬量進行實時采集和處理分析，一旦發(fā)現(xiàn)存在異常數(shù)據(jù)時能夠自動發(fā)出預警信息或者進行故障報警，且在施工過程中可以根據(jù)工藝設定自動采取聯(lián)鎖保護動作。PLC自動化控制系統(tǒng)的中繼環(huán)控制主要是通過上位機以及后座主千斤頂?shù)仍O備來實現(xiàn)對多個中繼環(huán)的聯(lián)動遠程控制。同時，PLC自動化控制系統(tǒng)還能夠?qū)﹂L距離頂管施工中所使用地面配套設備（如泥漿泵、引水泵以及高壓泵等）和管內(nèi)配套設備（如排泥進水接力泵、送漿泵以及壓漿泵等）進行集中控制。此外，PLC自動化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸一般需要通過下位機和網(wǎng)絡來實現(xiàn)，且需要結(jié)合上位機完成對各種設備運行狀態(tài)、施工數(shù)據(jù)以及故障信息的計算分析。PLC自動化控制系統(tǒng)上位機還具有自動報表、遠程控制長距離頂管設備工具頭等功能。通過PLC自動化控制系統(tǒng)的運用，對配套設備以及中繼環(huán)的控制能力明顯提高，能夠滿足3km距離內(nèi)的施工控制要求。

2.2 長距離頂管施工中PLC自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)分析

在長距離頂管施工中，應按照分散控制以及集中監(jiān)測這一基本原則進行PLC自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)的構(gòu)建。在PLC自動化控制系統(tǒng)中，控制長距離頂管施工流程應通過PLC來實現(xiàn)，同時應采用現(xiàn)能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)信息進行高效處理分析并傳輸控制指令的現(xiàn)場總線CC-Link為施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，以便集中監(jiān)控長距離頂管施工的所有施工環(huán)節(jié)。現(xiàn)場總線CC-Link與連接介質(zhì)之間一般采用的是雙絞線結(jié)構(gòu)形式，能夠為64個從站提供支撐，同時其所采用的輪詢廣播方式能夠使數(shù)據(jù)傳輸速度達到10Mbps;而其結(jié)合中繼器使用后能夠?qū)鬏斁嚯x延長至13.2km左右。因此現(xiàn)場總線CC-Link的運用可以滿足長距離頂管施工要求，有效簡化長距離頂管施工現(xiàn)場配線，提高系統(tǒng)的兼容性以及抗噪能力，降低操作難度和使用成本。長距離頂管施工中PLC自動化控制系統(tǒng)的上位機既為計算機，其是PLC自動化控制系統(tǒng)的操作平臺以及顯示平臺。而系統(tǒng)的主控制器是主站，其作為PLC自動化控制系統(tǒng)的核心承擔著控制所有從站，并對地面配套設備進行監(jiān)控的任務。施工單位應根據(jù)長距離頂管施工的實際需要合理確定從站數(shù)量，以便按照主站指令對所對應的管道泵以及中繼環(huán)等設備進行控制。系統(tǒng)的下位機為觸摸屏，其與從站PLC之間可采用RS-232C連接方式，以實現(xiàn)對長距離頂管工具頭的單獨控制。

2.3 長距離頂管施工中PLC自動化控制系統(tǒng)硬件應用分析

為保證長距離頂管施工的順利進行，在運用PLC自動化控制系統(tǒng)時應采用性能較好的硬件設備，特別是作為PLC自動化控制系統(tǒng)核心部分的CPU、CC-Link現(xiàn)場總線、上位機以及變頻器等硬件設備，其各項指標性能參數(shù)均應滿足長距離頂管施工控制的實際需要。同時，隨著頂管施工距離的增加，應相應的增加通訊中繼器的設置數(shù)量，一般應按照每1000m設置一個的原則進行中繼器的布設，以確保PLC自動化控制系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮器應有的作用。

2.3.1 自動化PLC控制系統(tǒng)主站和上位機結(jié)構(gòu)

長距離頂管施工中PLC自動化控制系統(tǒng)的主站根據(jù)實際情況可采用QJ61BT11N模塊，并結(jié)合Q64DA、Q02HCPU、QY10、QX40以及Q68AD等。PLC自動化控制系統(tǒng)的上位機應采用工控計算機設備。同時為適應長距離頂管施工的實際需要應能夠與多個從站相連，且應充分考慮地面配套設備的使用數(shù)量，科學確定模擬量輸入、輸出線路以及開關(guān)量輸入輸出線路的數(shù)量，且余量應充足合理，以實現(xiàn)對所有施工設備的有效控制。

2.3.2 自動化PLC控制系統(tǒng)從站和下位機結(jié)構(gòu)

結(jié)合長距離頂管施工的實際需要，PLC自動化控制系統(tǒng)的1號從站一般可采用FX2N-8AD模塊、FX2N-128MR模塊、FX2N-32CCL模塊以及FX2N-48ER模塊各一個，并采用FX@N-5A模塊2個。同時在PLC自動化控制系統(tǒng)中可采用GT1575-WBA型號觸摸屏作為洗胃機，以完成對主站之間16b以及128b數(shù)據(jù)的通訊欻數(shù)。此外，為確保能夠下位機能夠在相對獨立條件下監(jiān)測控制長距離頂管施工工具頭動作，應合理確定其模擬量和開關(guān)量的輸入輸出線路數(shù)量。

2.3.3 自動化PLC控制系統(tǒng)其他從站結(jié)構(gòu)

在長距離頂管施工中運用PLC自動化控制系統(tǒng)時，去除1號從站外的其他PLC從站可以采用FX2N-32CCL模塊、FX2N-32MR模塊以及FX2N-4AD模塊構(gòu)成，以實現(xiàn)與主站之間傳輸4級32位數(shù)據(jù)的要求，且應合理確定模擬量輸入線路、開關(guān)量輸入以及開關(guān)量輸出線路的數(shù)量。隨著頂管施工距離的增強，為保證數(shù)據(jù)通訊的可靠性和時效性，應按照每100m一個的原則增加通信中繼器的設置數(shù)量，且通信中繼器應設置在相鄰從站處。目前在長距離頂管施工長PLC自動化控制系統(tǒng)運用實踐中，AJ65SBT-RPT型號的中繼器被廣泛應用于主從站數(shù)據(jù)通訊。

3、長距離頂管施工中PLC自動化控制系統(tǒng)軟件應用

在長距離頂管施工中運用PLC自動化控制系統(tǒng)時，PLC自動化控制系統(tǒng)各部分功能的實現(xiàn)還需要依賴于相關(guān)軟件程序的應用。技術(shù)人員可根據(jù)長距離頂管施工的實際需要以及PLC自動化控制系統(tǒng)特點，合理選擇相應的開發(fā)軟件編制相關(guān)控制程序。例如可以通過組態(tài)王軟件進行上位機程序的編制，而在編制主從站程序時則可以采用GPPW等MELSOT系列軟件并結(jié)合梯形圖PLC語言進行編程開發(fā)。其中PLC自動化控制系統(tǒng)的上下位機程序是直接面對用戶的顯示界面和操作平臺，而主從站程序則是PLC自動化控制系統(tǒng)中各硬件設備的驅(qū)動程序，在編制PLC自動化控制系統(tǒng)程序軟件時，應充分考慮長距離頂管施工中繼環(huán)和主頂設備之間的聯(lián)動控制要求、相關(guān)配套設備聯(lián)動控制要求、施工設備在運行過程中各動作自動聯(lián)鎖保護要求、自動化故障報警要求以及數(shù)據(jù)實時監(jiān)測要求等多種因素，確保軟件程序編制科學合理，有效解決傳統(tǒng)人工操作以及中繼器控制方式中存在的誤動作等問題。同時應在PLC自動化控制系統(tǒng)軟件中設置設備故障在線自動檢測以及聯(lián)鎖保護機制，并合理設定各項指標參數(shù)的控制范圍，以提高PLC自動化控制系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，為長距離頂管施工的順利實施奠定良好的基礎。

3.1 長距離頂管施工中自動化PLC控制系統(tǒng)上位機軟件應用

運用PLC自動化控制系統(tǒng)進行長距離頂管施工控制時，可以采用高度集成的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡控制、圖形編輯技術(shù)以及人機界面等多種技術(shù)的組態(tài)王軟件進行上位機程序的開發(fā)編制，其能夠通過報表編制、定態(tài)顯示、趨勢分析以及報警控件等相關(guān)組件便捷快速的完成軟件編制任務，且其導向式刨邊的使用較為靈活簡便，結(jié)合腳本語言強大的處理能力和多元化設備支持庫，能夠使軟件更好的滿足長距離頂管施工要求。PLC自動化控制系統(tǒng)的上位機程序一般通過初始顯示界面、設置畫面以及手動和自動畫面這4個圖形界面呈現(xiàn)在用戶面前，長距離頂管施工人員可以通過畫面操作獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，對長距離頂管施工工藝進行總結(jié)分析以便進行工藝優(yōu)化調(diào)整。此外，其還可以提供長距離頂管施工實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)報表打印等服務功能。PLC自動化控制系統(tǒng)與用戶間的信息交互主要通過上位機來實現(xiàn)，在長距離頂管施工中，施工人員可以直接通過上位機下達指令信息，對施工工藝參數(shù)進行調(diào)整，讀取施工設備的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)并接收反饋數(shù)據(jù)等。

3.2 長距離頂管施工中自動化PLC控制系統(tǒng)主從站軟件應用

運用PLC自動化控制系統(tǒng)進行長距離頂管施工控制時，系統(tǒng)核心是主站程序，通過主站程序完成對本站設備運行狀態(tài)的監(jiān)測控制，同時輸入或輸出開關(guān)量以及模擬量，以確保本站能夠與其他各從站相互協(xié)調(diào)配合。在長距離頂管施工過程中，為實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)指令對設備啟停進行控制，并向系統(tǒng)反饋開關(guān)信號，對設備運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測，采集模擬量信息，對變頻器工作頻率以及模擬量輸出值進行調(diào)節(jié)，在主從站程序編制時可以設置五個功能模塊，以完成相關(guān)任務。

首先應設施監(jiān)控工具頭模塊，以便對長距離頂管施工中整個頂管設備工具頭的所有動作以及頂管設備的整體運行情況進行動態(tài)監(jiān)測和控制。其次應設置中繼環(huán)與長距離頂管施工主頂部分的聯(lián)動模塊，以實現(xiàn)對中繼環(huán)動作的手動控制以及自動控制。在自動控制模式下，可以將控制模式設定為M頂N方式，其中M和N值應大于0，且M應大于N。采用該模式能夠聯(lián)動控制主頂和任意環(huán)的組合，有效防止在頂管過程中出現(xiàn)倒退等問題，不僅能夠更好的滿足長距離頂管施工控制的要求，而且可以使長距離頂管施工更加安全高效，充分體現(xiàn)了PLC自動化控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢。第三，在PLC自動化控制系統(tǒng)中還應設置控制配套設備模塊，以便對所有地面設備以及管內(nèi)設備進行監(jiān)控。在系統(tǒng)實際運行過程中，安裝在管道內(nèi)的所有進排泥接力泵均應由臨近從站負責控制監(jiān)測。第四，在運用PLC自動化控制系統(tǒng)進行長距離頂管施工時還應設置預警以及故障報警模塊單元，以便對頂管設備的運行狀態(tài)以及施工數(shù)據(jù)變化進行動態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預設范圍時應自動發(fā)出預警信息。同時還應利用該模塊單元對主從站之間的數(shù)據(jù)通訊情況、施工中所使用的各施工設備運行狀態(tài)等進行實時在線監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)故障風險，且應在故障發(fā)生時自動發(fā)出報警信息，并自動采取相應的處理措施。第五，在PLC自動化控制系統(tǒng)的實際應用中還應結(jié)合長距離頂管施工的具體情況結(jié)合應用變頻控制技術(shù)，以精確調(diào)節(jié)出土螺旋機、后座油泵車以及高壓泵等相關(guān)設備的速度等工藝參數(shù)，通過PID控制確保作業(yè)面土壓平衡，從而保證長距離頂管施工的質(zhì)量安全。

3.3 長距離頂管施工中自動化PLC控制系統(tǒng)下位機軟件應用

在運用PLC自動化控制系統(tǒng)進行長距離頂管施工控制時，下位機是頂管機工具頭操作控制的人機交互界面，其既能夠?qū)敼軝C整體系統(tǒng)的運行情況進行動態(tài)監(jiān)測，還能夠根據(jù)相關(guān)操作指令控制頂管機工具頭動作。下位機程序的采用的也是圖形界面顯示方式，在主畫面內(nèi)能夠?qū)敼軝C工具頭的實時數(shù)據(jù)以及所有設置的傳感設備、頂管機系統(tǒng)的各種泵以及電機運行狀態(tài)等進行監(jiān)測，借接收主站發(fā)出的數(shù)據(jù)信息。同時，施工人員可以在設置畫面內(nèi)設置相關(guān)技術(shù)參數(shù)以及預警限值等;而在報警畫面內(nèi)則可以發(fā)出聲光報警信息，且能夠直觀顯示故障原因的自動分析結(jié)果和排查處理建議等，為長距離頂管設備的故障排查提供可靠的參考依據(jù)。

結(jié)語：

為滿足長距離頂管施工中對有效控制距離的要求，解決長距離頂管需要控制多個中繼環(huán)以及多個配套設備的問題，施工單位應充分了解長距離頂管施工特點，加強對PLC自動化控制技術(shù)的研究，在施工實踐中應積極應用具有較高自動化和信息化水平的PLC控制系統(tǒng)，并要根據(jù)長距離頂管施工的實際需要合理配置PLC自動化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和應用軟件程序，確保PLC自動化控制系統(tǒng)的各項功能能夠正常發(fā)揮，以實現(xiàn)對長距離頂管施工的遠程精確控制，為提高長距離頂管施工的質(zhì)量和效率提供重要支撐，促進我國頂管施工技術(shù)水平的全面提升。

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